淺談IPS內支撐體系在地下工程中的應用

摘 要 IPS內支撐體系是一種符合節約資源、提高經濟效益、可持續化發展觀念的內支撐體系。本文簡要闡述了IPS內支撐體系的受力傳遞路徑及優越性，并結合工程應用案例采用數值模擬和現場實測方法分析IPS內支撐體系在工程的適用性。結果表明：IPS內支撐通過施加預應力的方式，充分利用自身材料強度，能較好地控制圍護結構變形，且具有較好的經濟社會效益，可供相似地區的內支撐體系設計施工提供參考。

關鍵詞 地下工程;軟土地基;整體位移;IPS內支撐體系

引言

城鎮化的不斷推進及建筑施工技術的不斷成熟，帶動了地下空間的開發，地下工程逐步成為城鎮化發展的必然趨勢。目前，地下工程的開發主要應用于沿海經濟發達地區，由于該區域的土質較軟，含水率較高及城市周邊環境復雜多變，內支撐體系在地下工程建設中起到不可替代的作用，同時也促進了內支撐施工技術的更新與完善[1]。

為了符合節約資源、高效施工、可持續化發展觀念，現如今，鋼支撐在地下工程內支撐體系的應用較為廣泛，尤其是IPS內支撐體系的工程應用。IPS內支撐體系是一種由魚腹梁、對角撐、托座、圍檁等構件通過高強螺栓連接而成的鋼體系，其主要是通過張拉魚腹梁的鋼絞線以及施加對角撐預應力的方式來克服型鋼材料剛度小、變形大等缺點，從而有效控制施工中的坑外土向坑內發生位移1。該體系綜合了傳統砼支撐與鋼支撐的優點，是目前較為先進的內支撐技術，使得施工中安全性提高。

1IPS內支撐體系的受力傳遞及優越性

1.1 IPS內支撐體系的受力傳遞

IPS內支撐體系的水平荷載傳遞主要通過圍檁將支撐反力傳遞至圍護結構2，因此，對鋼圍檁的剛度和強度要求較高，一般采用中部設置肋板的雙拼或多拼型鋼來抵抗坑外土向坑內的水平位移，如圖1所示。

1.2 IPS內支撐體系的優越性

（1）安全可靠 IPS內支撐體系的材料主要是H型鋼，H型鋼在壓彎荷載作用下的破壞預兆較為明顯，在施工中可隨時調整H型鋼的預加力，從而提高內支撐整體的穩定性。

（2）施工便利 IPS內支撐體系中的構件均采用工具式可裝拆的標準部件，標準部件可循環重復使用，并采用高強螺栓進行連接，架設和拆除支撐較為方便，且施工挖土空間較為開闊，與傳統支撐相比，能大大縮短支撐施工工期，降低施工成本。

（3）動態化數據IPS內支撐體系安設了先進的數據化監測系統，通過數據的采集處理和三維模型的運用，共同實現施工的現實化，隨時反映施工現場各構件的變形情況，方便建設三方了解工程的施工進度和安全狀態，進一步確定內支撐的整體穩定性。

2應用案例

2.1 工程概況

某商業二期項目位于浙江省海寧市中心，主體結構為3層地下室，基坑支護總長度約579m，基坑的施工范圍面積約為14000mm2，北側和西側為市政道路，地下市政管線較為密集;南側鄰近六層賓館;東側鄰近一期商業廣場。本工程施工范圍的土層以軟土層系為主，施工范圍內土層具體參數如表1。場地的地下水主要為淺層土中的潛水，水位穩定埋深為1.5m，坑內采用明排的方式降水。施工場地的整平相對標高為-0.800m，普遍區域底板面標高為-12.650m，底板厚1000mm，墊層厚150mm，基坑普遍區域的挖深為13.0m，綜合考慮主樓結構的外墻邊設置若干集水井，集水井施工區域的挖深約為14.5m[2]。

2.2 IPS支撐體系設計

本工程原設計為兩道混凝土支撐，采用順作法進行施工，考慮到混凝土支撐的施工養護時間較長、拆除速度較慢等缺陷，為了縮短施工工期，確保工程安全質量，考慮到施工位置處于市中心區域，周邊環境較為復雜，現采用IPS內支撐作為水平支撐，圍護采用原設計Φ1000@1200mm灌注樁。內支撐形式如圖2所示。

根據施工的形狀及周邊荷載的水平作用，該體系采用10組魚腹梁和6組對撐組成，其余部分均設置角撐，每組對撐由4根型鋼H350×350×12×19連接，每組角撐由4根型鋼H350×350×12×19或者2根型鋼H350×350×12×19連接。構件在安裝時，按圍檁、角撐、魚腹梁和對撐依次架設內支撐體系，待一個區域體系架設完成后施加預加力，構件在拆除前需待該區域的換撐部分達到一定的設計強度方可按逆序拆除。

2.3 圍護樁的側向位移監測

在工程的開挖過程中，坑邊共設置27個點對圍護樁的側向位移進行了監測，監測點布置如圖3所示，現取基坑東側體系對監測點CX3側向位移進行分析。

圖4為基坑開挖過程中側向位移的監測曲線，根據曲線可以看出， 2020年3月12日，即基坑開挖到第一道支撐工作面時，累計最大位移值為0.68mm; 2020年3月20日，即基坑架設第一道支撐完成時，累計最大位移值為1.04mm;2020年4月20日即基坑開挖到第二道支撐工作面時，累計最大位移值為6.46mm; 2020年5月21日，即基坑架設第二道支撐完成時，累計最大位移值為15.64mm;2020年7月3日，即基坑開挖到坑底標高時，累計最大位移值為24.06mm，未達到工程預警值，滿足規范的側向位移要求，且最大位移位于魚腹梁的作用區域，這是由于基坑的形狀并非水平直線，在對角撐施加預應力后，對撐的合力會對這邊的三角件產生偏心距，使魚腹梁區域圍檁的受側向分力增大，減小了這側對坑外土的抵抗力，且根據周邊環境，基坑周邊為市政道路，使得基坑周邊荷載增加，增加了基坑該位置的水平位移[3]。

2.4 周邊管線位移監測

在基坑開挖過程中，對市政道路進行了監測，共計9個點，監測點布置如圖所示，對每個點分別進行測試，現取周邊管線位移監測點G6進行分析。

根據監測報告顯示，2020年3月20日，即基坑架設第一道支撐完成時，累計位移值0.64mm;2020年4月20日，即基坑開挖到第二道支撐工作面時，累計位移值為3.07mm;2020年5月21日，即基坑架設第二道支撐完成時，累計位移值為4.17mm;2020年7月3日，即基坑開挖到坑底標高時，累計最大位移值6.14mm。在施工期間市政道路和所有的市政管線變形位移較小，未達到工程預警值，這說明了IPS內支撐體系的施工對周邊管線的影響較小，起到保護作用。

3基于MIDAS GTS/NX內支撐有限元分析

為了有限元分析結果應盡量與現場實際情況相一致，應按照土方開挖深度、魚腹梁、對撐和角撐安裝順序分工況進行模擬。本次選用MIDAS GTS/ NX有限元分析軟件[4]。

3.1 支撐有限元模型

有限元模型中的鋼絞線采用僅受拉桿單元，由于魚腹梁中的三角件剛度較大，與單根H型鋼相比，可考慮成一平面板，故大三角件采用平面板單元。其余構件根據實際的受力原理，采用相應的模型單元。計算模型如圖6所示。

3.2 荷載及邊界條件

由于模型主要承受由周邊土體位移及基坑開挖深度引起的水平荷載，而豎向荷載主要是支撐構件的自重，可忽略不計，可將對支撐的水平約束作用簡化為水平荷載直接施加于模型的圍檁。

3.3 基坑有限元結果分析

根據圖7可以看出，通過對對角撐施加預加力和張拉鋼絞線，可以將內支撐體系的綜合位移控制在20mm左右，且最大位移和最大軸力位于魚腹梁的作用中心區域，根據壓彎構件材料強度的計算公式，圍檁的應力最大值為278MPa（≤295MPa），滿足規范要求。

3.4 有限元結果與實際工程對比分析

綜合上述情況，有限元計算出的最大位移與現場實測的位移相差不到5%，在現場施工前，可對基坑的整體變形進行有限元模擬，方便在施工中加強那區域的監測[5]。

4結束語

（1）IPS內支撐體系可以在施工前采用 MIDAS GTS/ NX 軟件進行有限元分析了解工程的最大位移情況，計算結果表明支護體系最大位移在允許可控范圍內，且與實際的最大位移相差不到5%。

（2）IPS內支撐體系在實際施工中可在開挖階段能夠多次施加預加力，對變形進行動態控制，使施工場地始終處于安全穩定的狀態。

（3）內支撐體系是一項綜合性課題，地下工程在施工時影響因素較多，且各個區域的地質條件差異性較大，在施工時應加強對工程的監測，做好各項動態工作，確保工程及周邊環境的整體安全，可供相似地區的內支撐體系設計施工提供參考。

參考文獻

[1] 張衡.裝配式預應力魚腹梁鋼結構支撐對深基坑變形的控制技術與方法研究[D].淮南：安徽理工大學，2014.

[2] 李建清.預應力魚腹梁受力機理及設計方法分析研究[J].山西建筑，2014（18）：91-93.

[3] 孫軍，楊泓斌，蓋守超，等.基于預應力魚腹梁支撐技術的裝配式支護結構施工工藝[P].中國：CN109252526A，2019-1-22.

[4] 劉發前，盧永成.裝配式預應力魚腹梁內支撐系統的利與弊[J].城市道橋與防洪，2013（7）：117-118，125.

[5] 劉國斌，王衛東.基坑工程手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2009：101.

作者簡介

許鑫東（1994-），男，江蘇南通人;現就職單位：上海強勁地基工程股份有限公司，研究方向：巖土。